Serie electroquímica

Descripción de la actividad

Muchas de las reacciones químicas que se producen en los procesos biológicos, en los procesos de producción industrial y en los procesos químicos propios de la geosfera, la atmósfera y la hidrosfera son reacciones en donde las sustancias participantes pasan por procesos de oxidación y de reducción (rédox). Dado que las reacciones rédox son procesos de intercambio de electrones, estos procesos químicos pueden ser investigados midiendo variables eléctricas.

Algunas de las ideas que los alumnos podrán construir incluyen la noción de que, en las reacciones rédox, los electrones pueden pasar de unas sustancias a otras por un circuito eléctrico externo, que es posible medir la velocidad y la tendencia a suceder de estas reacciones con instrumentos eléctricos y que la diferencia de potencial eléctrico entre dos sustancias puestas en un medio conductor mide la tendencia que tienen estas sustancias a intercambiar electrones.

Secuencia didáctica

Invitá a tus alumnos a preparar soluciones que conduzcan la corriente eléctrica dándoles, como materiales de partida, agua, muestras sólidas de CaSO₄, NaCl, NaHCO₃, azúcar, etc., y muestras líquidas de vinagre, alcohol, HCl, etc., y un téster como elemento de comprobación de la conductividad.

A continuación podés pedirles que elijan las dos soluciones que mejor conduzcan la corriente para ser usadas por toda la clase en el resto de las experiencias. En esta etapa podés ayudarlos a que discutan los procedimientos que diseñaron y comparen los resultados. Tené en cuenta que los alumnos frecuentemente creen que la conductividad no depende de la cantidad de sustancia que agreguen.

Pediles que documenten, en planillas, los materiales que fueron mezclando y sus resultados, incluso pueden hacer gráficos con los resultados que obtuvieron. Para ello es necesario que trabajen con una planilla de cálculo (Excel o Calc). De ser necesario le pueden pedir ayuda al profesor de informática o utilizar los cursos de Excel y Calc que se encuentran cargados en los equipos.

Estas planillas los van a ayudar en la discusión.

Pediles a tus alumnos que mojen una tira de papel secante con una de las soluciones a ensayar y que apoyen en cada punta de la tira un trozo de metal de la lista siguiente: Cu, Zn, Pb, Fe, Al, Ag, Mg (por ejemplo, en un extremo de la tira humedecida pueden apoyar una chapita de Zn, y en el otro extremo una chapita de Pb).

Con el téster podrán registrar la diferencia de potencia entre todas las parejas de metales posibles, repitiendo luego las mediciones con la otra solución conductora elegida (en lugar de hacerlo sobre papel secante, podés proponerles que ensayen otras formas de poner en contacto los metales con la solución conductora).

Pueden documentar todo el proceso con fotografías y armar una galería de imágenes en su netbook.

Invitalos a que elijan la forma más clara de comunicar los datos utilizando la documentación en la base de datos y con las imágenes registradas.

• A partir de esos datos podés ayudarlos a armar una serie electroquímica poniendo en orden los metales, desde el que más veces estuvo como polo negativo hasta el que más veces estuvo como polo positivo. Ayudalos a comparar el orden obtenido con el de la serie electroquímica estándar, señalá las diferencias de condiciones y mostrales cómo puede utilizarse la serie para predecir el potencial de una pila.
• A partir de los metales ensayados, sugeriles que decidan cuál pareja de estos metales sería la más adecuada para fabricar una pila, teniendo en cuenta factores como costo, toxicidad, facilidad de conseguirlos, etc. (esto requerirá búsqueda bibliográfica o vía internet).
• Como cierre, podés sugerirles que propongan una explicación acerca de los parecidos o las diferencias en el orden encontrado al cambiar de solución conductora, y que luego diseñen algún experimento que pueda ayudarlos a comprobar sus hipótesis.

Este cierre pueden realizarlo a través de una presentación multimedia.

Proyecto de investigación

Sugerimos dar espacio para la realización de una pequeña investigación a partir de la pregunta: ¿Qué tiene que pasar para que una pila genere mayor intensidad de corriente durante más tiempo?

Las fases de la investigación podrían incluir:

1. Una discusión de las hipótesis previas de los estudiantes (para registrarlas se puede utilizar un foro o un espacio en las redes sociales).
2. La exploración de las variables y la selección de cuáles se modificarán, el diseño del experimento, la toma de mediciones, el análisis de los resultados parciales, la reformulación del experimento –si fuera necesario–, el análisis de los resultados y las conclusiones.

Esta etapa se puede registrar con videos o fotografías. Esto permitirá mejorar futuras experiencias, compartir el trabajo con otras escuelas, publicar la práctica, etcétera.

Se puede sugerir a los alumnos que consulten con profesores de Física aquellas dudas que pudieran tener sobre el significado de las variables eléctricas.

Sugerencias para seguir trabajando

A partir de una actividad demostrativa, por ejemplo el cobreado electrolítico, podés pedirles a tus alumnos que averigüen cómo la electricidad es capaz de producir reacciones químicas. Esto puede abrir un espacio para el debate, la indagación de las ideas previas y la representación de modelos visuales de lo que está pasando en la electrólisis, correlacionando esos modelos con otros de partículas que hayan realizado durante el año. El hecho de que los chicos y las chicas estén en red, amplía el espacio y el tiempo para la conversación sobre el tema y el intercambio de ideas.

Estos trabajos pueden complementarse con la lectura de material sobre Faraday, Volta, Davy, sus hipótesis y sus experimentos, incluyendo el análisis de algún experimento histórico sobre la electrólisis o las pilas.

Otra línea de trabajo puede ser estudiar la electrólisis del NaCl y el poder oxidante del NaClO formado sobre soluciones de KI, KBr para mostrar ejemplos de reacciones rédox entre átomos de no metales. Para ampliar el campo de conocimientos vinculados a los procesos de oxidorreducción, podés proponer a tus alumnos trabajos de búsqueda bibliográfica o por internet acerca de procesos rédox en la atmósfera, procesos rédox en el metabolismo vegetal y animal, procesos rédox en la industria petroquímica, procesos rédox en la captación de la energía solar.

Sugerencias didácticas

Las reacciones de oxidación y reducción tienen la ventaja de que pueden ser investigadas fácilmente por medio de la medición de variables eléctricas, ya que en esos procesos ocurre un intercambio de electrones entre las especies reaccionantes.

Se sugiere que los alumnos busquen material adicional sobre la electroquímica y sus aplicaciones, sobre los procesos rédox y su utilidad, y las investigaciones realizadas para reproducir el proceso de fotosíntesis con el objeto de disponer de un convertidor perfecto de luz solar en energía eléctrica, que funcionaría eternamente, sin necesidad de usar ningún tipo de combustible químico.

Se sugiere además que los alumnos diseñen distintas pilas. En las tablas periódicas de libros o sitios de internet encontrarán la información necesaria para escoger los metales adecuados para su construcción.

«Una tarea de laboratorio» y «Reacciones», de la colección Para seguir aprendiendo, pueden ser materiales de utilidad para complementar este recurso.